低滲透砂巖有水氣藏改建地下儲氣庫可行性評價
——以四川盆地中壩氣田須二段氣藏為例

2024-03-15 02:15:28李開發張楚越朱亮袁港羅靜李旭成

天然氣技術與經濟 2024年1期

李開發張楚越朱亮袁港羅靜李旭成

（中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油 621741）

0 引言

世界范圍內的地下儲氣庫建設工作始于20 世紀［1-2］，我國地下儲氣庫的建設起步于20 世紀70 年代的大慶油田［3］。隨著國內天然氣需求量快速增長，季節性、區域性差異愈發顯著，儲氣庫在應急調峰和戰略儲備方面的意義尤為重要。國家高度重視儲氣庫改建工作，相繼在國內呼圖壁［4-5］、相國寺［6-8］、蘇橋［9］及靖邊［10］等氣田建設投產了一批儲氣庫。經歷20 余年發展，我國目前在儲氣庫地質密封性論證、高速注采不穩定滲流理論及模型建立、井注采配套工藝技術、全生命周期的安全風險管控等方面形成了關鍵技術并取得了顯著的成效［11］。在四川盆地的約500個氣藏和含氣構造中，水驅氣藏有近250 個，約占氣藏總數的50%［12］，氣藏開發過程中，極易受到水侵影響，而水侵形成的復雜氣、水兩相共流也是改建儲氣庫需要解決的關鍵問題［13］。目前針對低滲透砂巖有水氣藏改建儲氣庫可行性、水侵影響及有效庫容評價的系統性研究仍較少。中壩氣田上三疊統須家河組二段氣藏已經安全高效開發50 年，地質采出程度為77.75%，為有水氣藏開發典范。筆者從氣藏地質條件建庫可行性出發，重點論述動態上氣水關系、水體強度及能量大小，結合注采循環巖心實驗及數值模擬研究，開展建庫水侵影響及有效庫容空間評價，建立了低滲透砂巖有水氣藏改建儲氣庫可行性的系統評價方法。

1 氣藏地質特征

中壩氣田構造上位于四川盆地北部龍門山斷褶帶和川北古中坳陷低緩帶過渡區域，為一受斷層控制的潛伏背斜［14］。中壩構造發育的斷層均屬逆沖斷層，縱向上多發育于三疊系和侏羅系，規模較大的斷層分布于構造兩翼，走向與構造軸向一致，呈北東向。構造軸部發育6條斷層，規模較小，均在須家河組內部消失（圖1）。彰明斷層、江油斷層、雙河口斷層是該構造上規模大、延伸長、影響較深的逆沖斷層，均具有較好的封閉性。頂板主要為上覆侏羅系和須三段地層，底板為須一段地層，皆以發育大套泥巖為主且橫向分布穩定。儲集巖以長石巖屑砂巖為主，儲集空間主要為粒間溶孔、粒內溶孔，裂縫是重要的滲流通道，平均孔隙度為6.29%，平均滲透率為0.19 mD，總體表現為低孔隙度、低滲透率的裂縫—孔隙型儲層。氣藏埋藏深度介于2 400～2 560 m，中部海拔為-2 000 m。

圖1 中壩氣田須二段氣藏累計產量平面分布圖

2 氣藏動態特征

中壩氣田須二段氣藏于1973 年在ZB4 井投產開始開發，同年4月開始產地層水，通過單井工藝排水及“北排南控”整體治水，氣藏以60×104m3／d 規模穩產30余年。目前氣藏日產氣量為35×104m3，日產水量為158 m3，累計產氣量為108.39×108m3，累計產水量為305.37×104m3。

2.1 產水井位于氣藏邊部低部位，主體區受水侵影響較小

鉆井及測試結果表明，中壩須二段受斷層及構造圈閉復合控制，整體為一構造型邊水氣藏，氣藏鉆井最低氣層海拔-2 185 m，最高水層海拔-2 205 m，以-2 200 m作為氣藏的原始氣水界面。

測試產水情況及生產動態特征表明，水體主要來自于氣藏西北部，彰明斷層的北消失端（ZB22井方向）可動水體是邊水入侵的主要方向，邊水主要沿斷層附近高滲透帶侵入氣藏（圖1）。

中壩氣田須二段氣藏立足“北排南控”整體治水，排水采氣工藝效果顯著，通過主動控制生產規模，優化調整工藝措施，邊水水線前緣推進得到了有效控制。ZB22 井及氣水同產井的水樣分析結果顯示，其水樣化學組分及離子含量基本相同，都屬于CaCl2水型，屬于深層封閉構造環境下形成的水，環境封閉性好，有利于油、氣聚集和保存，是含油氣性良好的標志［15］。氣藏壓降儲量圖上累計采氣量與視地層壓力的關系基本上為一條直線，后段無明顯上翹，說明邊水對氣藏的開采無明顯影響。且隨著開采的不斷進行，地層壓力不斷降低，后期水侵速度整體呈下降趨勢，綜合分析表明須二段氣藏構造主體區受水侵影響較小。

2.2 氣藏屬弱水驅、不活躍氣藏，水侵方向水區能量有限

氣藏主要水侵方向ZB22 井的地層壓力與純氣區中的ZB2 井和ZB20 井的地層壓力是同步下降的。ZB22 井于2004 年8 月下壓力計實測水區地層壓力為16.443 MPa，同年氣藏的平均地層壓力為12.662 MPa，與1976年6月氣藏平均地層壓力26.115 MPa及ZB22井水區地層壓力28.411 MPa對比，氣藏地層壓力下降速度為0.037 1 MPa／mon，ZB22井水區地層壓力下降速度為0.033 1 MPa／mon，可見氣區與水區的壓降速度非常接近，主要水侵方向水區能量是有限的。

利用氣藏歷年壓力點繪制諾莫圖，圖上點偏離45°線，結合各氣井生產特征，認為氣藏存在水侵現象，隨著氣藏生產，諾莫圖上的點未繼續偏離45°線，水侵得到一定程度的緩解（圖2）。

圖2 中壩氣田須二段氣藏諾莫圖

采用van Everdingen-Hurst 線性水侵模型［16］以及非線性自動擬合法［17］對水侵量進行計算，結果表明：①采用van Everdingen-Hurst 線性水侵模型對氣藏分階段進行水侵計算，累計水侵量為984.98×104m3，天然氣動態儲量在130×108m3以上，水驅指數為0.04，水侵替換系數為0.11；②采用非線性自動擬合法整段分析得到氣藏累計水侵量為957.98×104m3，天然氣儲量為135.82×108m3，水驅指數為0.05，水侵替換系數為0.16，整段擬合較好。綜合分析認為，中壩氣田須二段氣藏為弱水驅、次活躍氣藏。

3 氣水滲流規律研究

實驗選取ZB46 井、ZB50 井巖心，其中ZB46 井全井段取心，資料條件較好。本次利用代表研究區儲層的孔隙模型開展氣驅水巖心相滲實驗及儲氣庫多周期注采模擬實驗，分析儲氣庫周期注采運行過程中的氣水兩相滲流及分布特征，研究儲氣庫運行過程中影響儲集空間流體動用效果的影響因素。

3.1 氣驅水相滲特征

單次氣驅水過程中，利用實驗數據繪制氣水相對滲透率曲線如圖3所示，驅替至束縛水狀態記錄束縛水飽和度及束縛水下的氣相相對滲透率。實驗結果顯示，曲線形態呈現孔隙型介質滲流特征，隨著含氣飽和度增加，氣相相對滲透率增加，氣相滲流能力增強，而水相相對滲透率隨含水飽和度增加，前期上升緩慢，后期上升加快。

圖3 單次氣驅水相對滲透率曲線圖

孔隙介質系統相滲曲線共滲區間較寬，隨著含水飽和度增加，相對滲透率逐步增加。地層巖石孔隙溝通滲流能力越強，共滲區間越寬，共滲點滲透率越高，氣相相對滲透率也越高。

3.2 多周期注采巖心滲流特征

針對氣藏儲氣庫的多周期運行特點，從仿真模擬研究角度出發，模擬儲氣庫建庫及運行過程，研究儲氣庫多周期運行過程中孔隙空間的動用特征。實驗模擬儲氣庫的成藏模擬、衰竭開采和多周期注采運行過程，分析多周期注采運行過程中建庫孔隙空間的動用效果及其影響因素。實驗用水選用研究區的模擬地層水，實驗用氣為氮氣，選取ZB46井天然巖心樣品作為儲層模型，代表地下儲氣庫建庫儲層儲集空間。根據行業標準《砂巖氣藏型儲氣庫庫容參數設計方法》［18］中的描述，氣藏開發及儲氣庫運行過程中儲氣庫剖面簡化成4 帶4 界面，即純氣帶、氣驅純氣帶、過渡帶、水淹帶。

根據實驗模擬結果（圖4）可知，建庫前純氣帶含氣空間動用效率保持在89%；氣驅純氣帶含氣空間動用率從50%逐步增加至60%；氣水過渡帶含氣空間動用率從48%緩慢降低至40%。說明氣水過渡帶是儲氣庫空間動用效果變差的主要區域，而氣驅純氣帶是儲氣庫空間有效動用增加的主要區域，為動用優勢區。

圖4 儲氣庫多周期注采模擬含氣空間動用率圖

兩項實驗結果顯示，氣藏裂縫網絡溝通能力較強，為儲氣庫的主要滲流通道，裂縫—孔隙型相滲特征穩定，巖樣孔隙型相滲滯后效應顯著，氣驅純氣帶受膨脹攜液作用的影響，儲氣空間增加，而氣水過渡帶受氣水互鎖影響，氣相滲流及動用率降低。

4 建庫水侵影響及有效庫容空間評價

4.1 氣藏數值模擬

根據中壩氣田須二段氣藏的地質、測井等資料建立了精細三維地質模型，并在此基礎上開展數值模擬（圖5）。本次使用CMG 數值模擬軟件，基于中壩氣田須二段氣藏類型、儲層特征及滲流機理，根據研究區塊幾何形態，選用三維兩相氣水雙重介質模擬模型［19］。

圖5 中壩須二段構造層面模型圖

研究工區原始地層壓力為27.25 MPa，在模擬進行前，采用平衡法初始化，同時將氣水界面設置在-2 200 m。基于巖心相滲實驗數據，確定數值模擬模型的基礎參數。同時完成儲量擬合、全區生產歷史擬合、單井生產歷史擬合，總體上擬合精度達到了85%，擬合較為成功，由此認為采用數值模擬開展相關研究是可信的。

4.2 建庫水侵影響評價

中壩須二段為邊水氣藏，水體存在于氣藏東北部ZB22-1井至ZB35井附近，向氣藏西南部侵入。受構造和巖性復合控制，邊水與外界不連通，動態上表現出水體不活躍。通過氣藏水侵強度、水侵量、水驅指數等參數計算，認為氣藏整體呈弱水驅，邊底水為次活躍狀態。根據現有資料分析可知，開發過程中水體特征認識清楚，治水效果好，氣藏采出程度高，目前仍有10 口純氣井。微觀巖心實驗結果證實儲層水侵前后含氣孔隙空間動用相對穩定。數值模擬結果顯示，截止到擬合期末，累計水侵量為892.02×104m3，隨著開采的不斷進行，地層壓力不斷降低，水侵速度逐漸加快，在1980 年達到峰值，后期水侵速度整體呈下降趨勢，目前的年水侵量為6.19 × 104m3（圖6）。建庫區水侵孔隙體積僅占3.13%，建庫注采運行后，水侵面積會進一步縮小。綜合各項研究認為，在中壩氣田須二段氣藏改建儲氣庫后，地層水不會對儲氣庫的庫容和調峰能力造成大的影響。

圖6 水侵量隨時間變化圖

4.3 有效庫容空間評價

1）建庫區域

中壩主體構造與南北低滲透帶連通性較差，且28 口投產井中，北部僅ZB25（已封堵）、ZB27（間開小產）兩口投產井，累計產氣量不足氣藏的1%；同時主體構造內27 口生產井的累計產氣量達107.33×108m3，單井累計產氣量平均為3.89×108m3，目前仍有10 口純氣井，開發效果較好。基于中壩須二段實際動態特征認識成果，在平面上將儲氣庫分為南北低滲透區、純氣區、氣水過渡區和水淹帶。在氣藏開發過程中，地層水或邊水侵入后占據了一定的孔隙空間，從而減少了可動含氣孔隙體積，建庫后多周期運行過程中水淹帶的主要對象仍然是以大孔道為主，微細孔道難以有效驅替，有效供氣半徑減小，從而降低了注采井網對砂體的控制程度，使得部分氣體不能及時動用［20］。由于地層水侵入將占據一部分孔隙體積，水鎖形成的封閉氣難以動用，儲層非均質性和注采井網對砂體的控制程度將導致一部分孔隙不能及時動用，從而減小了可動含氣孔隙體積。結合多周期注采模擬實驗結果，實際建庫過程中平面上還應扣除水淹帶，因此初步優選中壩潛伏構造純氣區和氣水過渡區為儲氣庫建庫范圍（圖7）。

圖7 中壩氣田須二段氣藏儲氣庫分區示意圖

2）有效庫容空間評價

對于弱—中等水侵氣藏建庫，以原始含氣孔隙體積為基準，扣除建庫儲層不同區帶儲層物性及非均質性、邊底水侵入、儲層敏感性等因素對建庫有效孔隙體積的影響，得到某運行壓力下建庫的有效孔隙體積。

本次數值模擬將須二段劃分為10 個小層，其中須二下亞段為1～4 小層，須二上亞段為5～10 小層。結合數值模擬研究及室內實驗結果，縱向上將建庫主體層位確定為須二上亞段。具體理由如下：統計氣井進入須二段深度與測試產量的關系可知（圖8），測試產量大的單井主要集中在進入須二段0～100 m的氣井，因此證實須二段的主要儲集空間在須二段的上部。